© сайт "Знания-сила".
Читайте начало, часть 1

Вступление

Один из крупнейших учёных XX века, вне всякого сомнения, Альберт Эйнштейн. Его идеи во многом революционизировали физику, проложив дорогу новому взгляду на природу. Эйнштейн родился в Ульме, в Германии, 14 марта 1879 года.

Альберт Эйнштейн
(1879-1955)

В раннем детстве ничто не говорило о том, что этот человек будет причислен когда-то к величайшим гениям в истории науки. Малышу минуло три года, а он всё ещё не говорил. Его родители, владельцы небольшого электрохимического завода, были очень этим обеспокоены. Альберт рос тихим, рассеянным мальчиком. Семья к этому времени поселилась в Мюнхене, и его отдали в гимназию Луитпольда. Альберту там так не понравилось, что он стал пропускать уроки, посвящая свое время чтению книг по математике, естествознанию и философии. Учителя об этом не знали и считали, что ничего путного из Эйнштейна не получится.

В конце концов Альберт бросил школу с её механической зубрёжкой и строгой дисциплиной, решив поступить в цюрихское Федеральное высшее политехническое училище, однако провалился на вступительных экзаменах. Когда же он наконец поступил, он, по старой памяти, стал частенько пропускать занятия, чем вызывал серьёзное недовольство преподавателей. К счастью, Эйнштейн подружился с одним из однокурсников. Друг любезно предоставлял Альберту во временное пользование свои конспекты лекций, и, если бы не эта «гуманитарная» помощь, кто знает, закончил ли бы Эйнштейн училище. С весны 1900 года до весны 1902 года Эйнштейн занимался репетиторством. В 1902 году с помощью все того же однокурсника Альберт получил место технического эксперта третьего класса в Швейцарском патентном бюро в Берне.

1905-й год

«Волшебным» годом для Эйнштейна стал 1905-й, в течение которого он опубликовал в журнале «Анналы физики» («Annalen der Physik») 3 статьи, имевшие фундаментальное значение.

Фотоэффект

Первая касалась работы Макса Планка, выяснившего в предшествующие годы, каким образом электромагнитное излучение может происходить дискретно, так называемыми квантами различной энергии; на основе этого Эйнштейн прекрасно сумел объяснить свою модель фотоэффекта, заключающегося в выбросе электронов из металла, подверженного электромагнитному облучению. Работы Эйнштейна по теории света носили поистине революционный характер. В своём учении Эйнштейн опирался на гипотезу, выдвинутую в 1900 Максом Планком, о квантовании энергии материального осциллятора. Но Эйнштейн пошел дальше и постулировал квантование самого светового излучения, рассматривая последнее как поток квантов света, или фотонов (фотонная теория света). Это позволяло простым способом объяснить фотоэлектрический эффект – выбивание электронов из металла световыми лучами, явление, обнаруженное в 1886 году Генрихом Герцем и не укла́дывавшееся в рамки волновой теории света. Девять лет спустя предложенная Эйнштейном интерпретация была подтверждена исследованиями американского физика Ми́лликена, а в 1923 реальность фотонов стала очевидной с открытием эффекта Комптона (эффекта рассеяния рентгеновских лучей на электронах, слабо связанных с атомами). В научном отношении гипотеза световых квантов составила целую эпоху. Без неё не могли бы появиться знаменитая модель атома Нильса Бора (1913) и гениальная гипотеза «волн материи» Луи де Бройля (начало 1920-х годов). А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике и фотохимии за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэффекта.

Специальная теория относительности

Во второй фундаментальной работе 1905 года, имевшей название "К электродинамике движущихся тел" Эйнштейн изложил специальную теорию относительности. (Почти одновременно направил в печать свою объёмистую работу и французский математик Анри Пуанкаре. Причем в ней содержались не только многие математические результаты, изложенные в эйнштейновской работе, но и ряд других математических выводов, которые у Эйнштейна отсутствовали. И всё же, приоритет в создании СТО отдается Эйнштейну. Следует, однако, заметить, что сам принцип относительности, давший название теории, был выдвинут Анри Пуанкаре раньше, чем это сделал Альберт Эйнштейн, причем в более конкретной формулировке. Оба исследователя опирались в своих рассуждениях на теорию электромагнетизма. Учёные XIX века считали, что световые волны распространяются в мировом эфире - среде́, которая, как предсказал Джеймс Максвелл, заполняет всю Вселенную. Поисками эфира занимались многие выдающиеся умы. Так, до последних дней жизни не прекращал их Дмитрий Иванович Менделеев. Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались разнообразные гипотезы относительно его свойств, экспериментально, однако, не подтвержда́вшиеся.

В основу СТО Эйнштейн положил два универсальных допущения, делавших гипотезу о существовании эфира излишней. Первое допущение и есть принцип относительности. Он гласит: если мы находимся в неуско́ренной лаборатории, то её движение никак не влияет на что бы то ни было, происходящее внутри этой лаборатории. Другими словами: во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы. Значит, любой эксперимент даёт один и тот же результат в любой инерциальной системе. И второе допущение: распространение света не зависит от движения его источника.

Постулаты СТО приводят ко многим замечательным следствиям, часто используемым писателями-фантастами в своих произведениях. К ним, например, относится парадокс близнецов, согласно которому время на борту космического корабля замедляется и близнец-путешественник по возвращении на Землю оказывается моложе своего брата домоседа.

СТО изменяет основное для физики Ньютона понятие "событие".

Согласно Эйнштейну, одновременность двух событий относительна. Это значит, что если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.

В том же 1905 году, вслед за "Электродинамикой движущихся тел" Эйнштейн опубликовал небольшую заметку под заголовком "Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?" В ней ученый вывел как следствие из своей теории уравнение Е=mc², которое означает, что энергия (Е), заключенная в любой частице вещества, равна её массе (m), умноженной на квадрат скорости света (с²). Кроме того, он сформулировал закон взаимосвязи массы покоя и энергии: "Масса тела есть мера содержащейся в нём энергии".

Согласно СТО, ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света; с точки зрения наблюдателя, находящегося в состоянии покоя, размеры движущегося мимо объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает; чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателя, движущиеся часы должны идти медленнее.

Релятивистские эффекты

Релятивистские (вытекающие из теории относительности) эффекты при обычных скоростях и размерах, как правило, пренебрежимо малы. Однако при массах микрочастиц и скоростях света они весьма значительны. Эта особенность СТО пригодилась физикам лишь спустя четыре десятилетия после 1905 года. Из неё следует, что любой перенос энергии связан с переносом массы. Эта формула трактуется также как выражение, описывающее «превращение» массы в энергию. Именно на этом представлении основано объяснение т.н. «дефекта массы». В механических, тепловых и электрических процессах он слишком мал и потому остается незамеченным. На микроуровне он проявляется в том, что сумма масс составных частей атомного ядра может оказаться больше массы ядра в целом. Недостаток массы превращается в энергию связи, необходимую для удержания составных частей. Атомная энергия есть не что иное, как превратившаяся в энергию масса. Принцип эквивалентности массы и энергии позволил упростить законы сохранения. Оба закона, сохранения массы и сохранения энергии, до этого существовавшие раздельно, превратились в один общий закон: для замкнутой материальной системы сумма массы и энергии остаётся неизменной при любых процессах. Закон Эйнштейна лежит в основе всей ядерной физики. В частности, по формуле Е=mc² физики смогли вычислить количество энергии, выделяющейся при взрыве атомной бомбы.

В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, бывший учитель Эйнштейна в Цюрихе, создал для СТО геометрию в четырехмерном пространстве. 21 сентября того же года на съезде немецких естествоиспытателей и врачей он прочел доклад "Пространство и время", заканчивавшийся словами: "Отныне пространство само по себе и время само по себе теряют всякий физический смысл, и лишь особого рода их сочетание сохраняет самостоятельность".

Квантовая теория теплоёмкости

А вот третья работа 1905 года была посвящена молекулярно-кинетической теории. Эйнштейн просчитал среднюю траекторию микроскопической частицы, столкнувшейся с молекулой жидкости, проверяя, таким образом, «бро́уновское движение» частицы на поверхности воды, замеченное под микроскопом английским ботаником Робертом Броуном.

В 1907 году Эйнштейн распространил идеи квантовой теории на физические процессы, не связанные с излучением. Рассмотрев тепловые колебания атомов в твердом теле и используя идеи квантовой теории, он объяснил уменьшение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры, разработав первую квантовую теорию теплоёмкости. Эта работа помогла В.Нернсту сформулировать третье начало термодинамики.